植入性医疗设备突破在即！医疗器械展看像“果冻”一样的新电极，不含金属可3D打印

如果你在网络上搜索“电子植入物”，你会看到各种各样的设备，从传统的心脏起搏器和人工耳蜗，到更未来的仿生皮肤、视网膜微芯片以及脑机接口，这些黑科技使我们切身感受到人类科技的飞速发展。

随着现代医学飞速发展，“电子植入物”已经逐渐成为了不可或缺的一部分。你会看到各种各样的设备，从传统的起搏器和人工耳蜗植入物，到更未来的大脑和视网膜微芯片，旨在增强视力、治疗抑郁症和恢复行动能力。

据了解，一些植入物又硬又笨重，而另一些则柔韧又薄。但无论它们的形式和功能如何，几乎所有的植入物都包含电极——直接附着在目标组织上的小导电元件，以电刺激肌肉和神经。植入式电极主要由具有导电性的硬质金属制成。但随着时间的推移，金属会使人体组织恶化，造成疤痕和炎症，从而降低植入物的性能。

有鉴于此，麻省理工学院（MIT）的工程师们已经开发出一种不含金属的果冻状材料，它像生物组织一样柔软且有韧性，并且可以像传统金属一样导电。这种材料可以制成可打印的墨水，进而制成柔性的橡胶电极。

研究人员声称，这种新材料是一种高性能导电聚合物水凝胶，有一天可能会取代金属，成为具有生物组织外观和触感的功能性凝胶电极。这项研究得到了美国国立卫生研究院的部分支持。最新研究成果已于近期发表在了《自然材料》杂志上。

医疗设备初创公司SanaHeal的联合创始人Hyunwoo Yuk博士说，“这种材料的工作原理与金属电极相同，但它是由与人体相似的凝胶制成的，含水量也与人体相似。它就像一个人造组织或神经。”

麻省理工学院机械工程和土木与环境工程教授Xuanhe Zhao则补充称，“我们相信，我们第一次拥有了一种具韧性、类似果冻的电极，它有可能取代金属来刺激神经，并与心脏，大脑和身体的其他器官连接。”

事实上一直以来，科学家们都知道，导电聚合物和水凝胶的结合能产生一种柔性的、生物相容性的、导电的凝胶。但迄今为止制造的材料要么太脆弱易碎，要么表现出较差的电气性能。

在上述新研究中，Yuk和他的同事们发现他们需要一种新的配方来混合导电聚合物和水凝胶，以提高各自成分的电学和机械性能。Yuk说，“人们以前依赖于两种材料的均匀、随机混合。”

研究小组现在意识到，为了分别保持导电聚合物和水凝胶的电气和机械强度，这两种成分应该以一种稍微排斥的方式混合，这种状态被称为相分离。在这种稍微分离的状态下，每种成分可以连接各自的聚合物，形成长长的微观链，同时也可以作为一个整体混合。

然后，研究人员调整了配方，并将这种凝胶制成了墨水，可用于3D打印。他们说，“我们可以定制几何形状，这使得为各种器官制造电子接口变得容易。”

展望未来，Yuk设想这种新材料的直接应用可能是在心脏手术后恢复的人身上。此外，该团队还在努力延长材料的使用寿命和性能。然后，这种凝胶可以用作器官和长期植入物（包括起搏器和深部脑刺激器）之间的软电界面。

“我们小组的目标是用类似果冻的东西取代人体内部的玻璃、陶瓷和金属，这样它更无害，但性能更好，而且可以持续很长时间。这是我们的希望。”他们说。

医疗器械展展望未来，认为这种新材料可以应用于心脏手术后恢复的人身上。这些病人需要几周的电支持来避免心脏病发作的手术副作用，因此，医生会在患者的心脏表面缝合一个金属电极，并刺激它数周。研究团队开发的果冻状电极可以代替这些金属电极，以最大限度地减少并发症和副作用。

参考文献：

https://www.nature.com/articles/s41563-023-01569-2